ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Η τεχνική του κενού Μέθοδοι παραγωγής και µέτρησης του κενού 9.1 Εισαγωγή Η παραγωγή κενού (χώρου απαλλαγµένου από την παρουσία του ατµοσφαιρικού αέρα ή άλλων αερίων) ανήκει στην κατηγορία της υψηλής τεχνολογίας και τη συναντά κανείς σχεδόν παντού, στην έρευνα, στις εφαρµοσµένες επιστήµες, στη µεταλλουργία, στην παραγωγή φαρµάκων και χηµικών προϊόντων, στην αεροναυπηγική, στην παραγωγή πυραύλων και δορυφόρων, στην παραγωγή φακών και κάθε είδους οπτικών συσκευών, στην ηλεκτρονική και µικροηλεκτρονική, στην παραγωγή οθονών τηλεοράσεων, παλµογράφων και υπολογιστών, στην παραγωγή ηλεκτρονικών µικροσκοπίων, ηλεκτρονικών συσκευών και ποικίλων µέσων τηλεπικοινωνίας κ.λπ. Πολύ σηµαντικός είναι ο ρόλος της τεχνικής κενού στην επιστηµονική έρευνα και ειδικότερα στη Φυσική. Πολλοί κλάδοι της Φυσικής δε θα µπορούσαν να αναπτυχθούν εάν οι ερευνητές δεν διέθεταν τα κατάλληλα µέσα παραγωγής υψηλού κενού. Ενδεικτικά αναφέρουµε τη Φυσική Πλάσµατος, την Ηλεκτρονική Φυσική, τη Φυσική Στερεάς Κατάστασης, και ειδικότερα τη Φυσική των Επιφανειών, τη Φυσική της Ηλεκτρικής Εκκένωσης στα Αέρια, τη Μοριακή Φυσική, την Ατοµική Φυσική, την Πυρηνική Φυσική και τη Φυσική Υψηλών Ενεργειών (οι επιταχυντές των σωµατιδίων που χρησιµοποιούνται στους τελευταίους δύο κλάδους, µεταξύ άλλων, είναι και τεράστιες συσκευές υψηλού κενού). Αξιοσηµείωτο είναι το γεγονός ότι η κινητική θεωρία των αερίων άρχισε να αναπτύσσεται µόνο όταν έγινε δυνατή η κατασκευή των πρώτων αντλιών κενού, έστω και ατελών. Η θεωρία αυτή σε µεγάλο βαθµό επιτάχυνε την ανάπτυξη της Ατοµικής, της Μοριακής, της Πυρηνικής Φυσικής και της Φυσικής γενικότερα. Α. Βασικές έννοιες 9.2 Οι βασικές φυσικές αρχές της τεχνικής του κενού. Βάση της Τεχνολογίας του Κενού αποτελεί η Φυσική των αραιών αερίων, οι βασικές ιδιότητες των οποίων, µε καλή προσέγγιση, συνοψίζονται στη γνωστή καταστατική εξίσωση των αερίων Nm pv = RT, (9.1) M όπου p είναι η πίεση του αερίου, V είναι ο όγκος του, Τ είναι η απόλυτη θερµοκρασία του, Ν είναι το πλήθος των µορίων του, m είναι η µάζα του κάθε µορίου, Μ ο µοριακός αριθµός του αερίου και R η παγκόσµια σταθερά των αερίων. Στις εφαρµογές του κενού, ο όγκος του αερίου είναι σταθερός ενώ η θερµοκρασία του σπάνια διαφέρει από αυτήν του περιβάλλοντος. Συνεπώς, η Εξ. (9.1) µπορεί να γραφτεί ως: p = C ρ, (9.2) όπου C είναι µια σταθερά και ρ = Nm/V είναι η πυκνότητα του αερίου. 144
Από την Εξ. (9.1) προκύπτει ακόµα µία χρήσιµη σχέση, η οποία ορίζει τη µάζα του αερίου το οποίο καταλαµβάνει όγκο V και έχει πίεση p, pv = C mn, (9.3) όπου mn είναι η µάζα του αερίου. Η σχέση (9.3) επιτρέπει τη µέτρηση της µάζας έµµεσα, µέσω της µέτρησης των εύκολα µετρούµενων µεγεθών p και V. Για τον λόγο αυτό, στην τεχνική του κενού η µάζα του αερίου δίνεται συχνά σε µονάδες (πίεση) (όγκος). Ο νόµος του Dalton. Ένας στεγανά κλειστός χώρος, συνήθως περιέχει µίγµα αερίων τα οποία συµβάλλουν στη συνολική πίεση σύµφωνα µε τη σχέση του Dalton, p, (9.4) = pi δηλαδή, η πίεση του µίγµατος ισούται µε το άθροισµα των µερικών πιέσεων των συστατικών του. Μερική πίεση ενός αερίου είναι η πίεση που θα δηµιουργούσε το αέριο αυτό εάν κατελάµβανε τον χώρο στον οποίο βρίσκεται µόνο του. Μία από τις σηµαντικότερες σχέσεις που χρησιµοποιείται στην τεχνική του κενού είναι αυτή που προκύπτει από την κινητική θεωρία των αερίων και συνδέει τη µέση ελεύθερη διαδροµή, λ, των µορίων, µε την πίεση, 1 λ =, (9.5) 2 C 2 N1πσ 1 + T όπου Ν 1 είναι η µοριακή συγκέντρωση, σ είναι η ενεργός διατοµή του µορίου για σύγκρουση, Τ είναι η απόλυτη θερµοκρασία και C είναι µια σταθερά η οποία εξαρτάται από το είδος του αερίου. Ο παράγοντας (1 + C/T) περιγράφει την εξάρτηση της σ από τη θερµοκρασία. Επειδή η συγκέντρωση των µορίων, Ν 1, είναι ανάλογη της πίεσης, [Εξ. (9.3)], προκύπτει ότι για Τ = σταθερή η σχέση (9.5) µπορεί να γραφτεί ως λ p = λ, (9.6) όπου λ είναι µια σταθερά, η τιµή της οποίας ισούται µε το µήκος της µέσης ελεύθερης διαδροµής όταν η πίεση είναι ίση µε τη µονάδα. Στον Πίνακα 9.1 δίνονται µερικές τιµές του λ συναρτήσει του p, για τα µόρια του αέρα, όταν η θερµοκρασία του είναι 25 0 C. Πίνακας 9.1 p (Pa) p (Torr) λ (m) 10 5 750 6,2 10-8 10 2 7,5 10-1 6,2 10-5 0,1 7,5 10-4 6,2 10-2 10-4 7,5 10-7 62 10-7 7,5 10-10 62000 (62km!) 9.3 Η κλίµακα του κενού Έστω δύο θάλαµοι κενού, Θ 1 και Θ 2, οι οποίοι συνδέονται µεταξύ τους µέσω ενός σωλήνα, η διάµετρος του οποίου είναι d και το µήκος του L (Σχ. 9.1). Έστω επίσης 145
ότι µε κάποιον τρόπο διατηρείται µία σταθερή στο χρόνο διαφορά πιέσεων στους δύο θαλάµους και οι πιέσεις στους θαλάµους είναι p 1 και p 2 αντίστοιχα, όπου p 1 > p 2. Υπό τις συνθήκες αυτές, στον σωλήνα θα διατηρείται µία µόνιµη ροή αερίου, για την τιµή του οποίου µπορούµε να διατυπώσουµε έναν νόµο, όµοιο µε τον νόµο του Ohm για το ηλεκτρικό ρεύµα, Q p1 p = 2, (9.7) t R όπου Q / t είναι η µάζα του αερίου που διασχίζει τον σωλήνα ανά µονάδα χρόνου και R ορίζεται ως η αντίσταση του σωλήνα στη ροή αυτή. Σωλήνας Θ 1 Θ 2 Σχήµα 9.1. Η αντίσταση του συνδετικού σωλήνα προφανώς εξαρτάται από τις γεωµετρικές του διαστάσεις d και L, αλλά, όπως έδειξε η έρευνα, εξαρτάται και από την πίεση του αερίου, ή από τη µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων του. (α) Σχήµα 9.2. (β) Στο Σχ. 9.2α, όπου φαίνεται η διαδροµή ενός µορίου, η µέση ελεύθερη διαδροµή είναι πολύ µικρότερη από τις γραµµικές διαστάσεις του θαλάµου. Στην περίπτωση αυτή τα µόρια συγκρούονται µεταξύ τους πολύ πιο συχνά από ό,τι µε τα τοιχώµατα του δοχείου. Αντίθετα, στο Σχ. 9.2β, τα µόρια συγκρούονται κυρίως µε τα τοιχώµατα του θαλάµου. Αυτή η διαφορά στον χαρακτήρα κίνησης των µορίων επηρεάζει τους νόµους που περιγράφουν την αντίσταση του σωλήνα. Έτσι, όταν είναι λ / d << 1 (χαµηλό κενό) η αντίσταση του σωλήνα είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της διαµέτρου του, ενώ στις πιέσεις για τις οποίες είναι λ / d >> 1 (υψηλό κενό) η αντίσταση του σωλήνα είναι αντιστρόφως ανάλογη του κύβου της διαµέτρου του. Για τον λόγο αυτό το κενό χωρίζεται σε τρεις περιοχές. Όταν είναι λ / d << 1 το κενό θεωρείται χαµηλό. Αντιθέτως, το κενό θεωρείται υψηλό όταν λ / d >> 1. Στις πιέσεις όπου είναι λ / d ~ 1 το κενό θεωρείται µέτριο. 146
Β. Η παραγωγή του κενού 9.4 Αντλίες κενού 5 Οι σύγχρονες αντλίες παράγουν κενό που εκτείνεται από 760 Torr ( 10 Pa) έως 10 13 Torr ( 10 11 Pa). Παρά τη µεγάλη ποικιλία, καµία αντλία δεν µπορεί να καλύψει όλη την κλίµακα κενού που αναφέραµε. Η παραγωγή υψηλού κενού, συνήθως, επιτυγχάνεται µε δύο µονάδες άντλησης, τη µονάδα χαµηλού κενού και τη µονάδα υψηλού κενού, συνδεδεµένες στη σειρά (Σχ. 9.3). Θάλαµος κενού P =10-10 Torr Αντλία υψηλού κενού Βοηθητικός θάλαµος κενού P = 10-2 Torr Αντλία χαµηλού κενού Ατµόσφαιρα Σχήµα 9.3. Έτσι, οι αντλίες κενού χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες: στις αντλίες χαµηλού 3 κενού ( 10 10 1 Torr) και στις αντλίες υψηλού κενού ( 10 7 10 13 Torr). Σηµειώνουµε ότι οι αντλίες υψηλού κενού αδυνατούν να λειτουργήσουν όταν στην έξοδό τους η πίεση είναι η ατµοσφαιρική. Για την οµαλή λειτουργία των αντλιών αυτών, στην έξοδό τους η πίεση πρέπει να είναι της τάξης του 10 2 Torr. Το βοηθητικό αυτό κενό παράγεται από αντλίες χαµηλού κενού, οι οποίες είναι σχεδιασµένες για να λειτουργούν ενάντια στην ατµοσφαιρική πίεση. 9.4.1 Αντλίες χαµηλού κενού Η σύγχρονη τεχνολογία παράγει και χρησιµοποιεί πολλούς τύπους αντλιών χαµηλού κενού. Εδώ θα εξετάσουµε µόνο δύο τύπους, τις µηχανικές αντλίες κενού και τις ψυχόµενες αντλίες ρόφησης. Και οι δύο τύποι βρίσκουν ευρεία εφαρµογή στην υψηλή τεχνολογία και την επιστηµονική έρευνα. 9.4.1.1 Μηχανικές αντλίες κενού. Στην αντλία αυτού του τύπου, όπως και στις παραλλαγές της, ένας έκκεντρα περιστρεφόµενος κύλινδρος µαζί µε ένα κινούµενο πλακίδιο (διάφραγµα στεγανοποίησης) δηµιουργούν δύο θαλάµους στο εσωτερικό της αντλίας, τον θάλαµό (Α) και τον θάλαµο (Β) (Σχ. 9.4). Με αναφορά στο Σχ. 9.4, παρατηρούµε ότι καθώς ο κύλινδρος περιστρέφεται, σε κάποιο στάδιο ο όγκος του δεξιού θαλάµου (Α) αυξάνεται και έτσι επιτυγχάνεται η ρόφηση του αερίου σε αυτόν. Αντίθετα, ο όγκος του αριστερού θαλάµου (Β) µειώνεται, µε επακόλουθο τη συµπίεση του αερίου που είχε εγκλωβιστεί σε αυτόν κατά την προηγούµενη φάση του κύκλου. Μεσώ της βαλβίδας εξόδου, το συµπιεσµένο αέριο θα εξαχθεί από τον αριστερό θάλαµο όταν η πίεση του αερίου γίνει µεγαλύτερη από την ατµοσφαιρική. Το εσωτερικό της αντλίας είναι εµβαπτισµένο σε ειδικό λάδι το οποίο δρα σαν ψυκτικό µέσο, σαν λιπαντικό και σαν στεγανοποιητής µεταξύ των διαφόρων τµηµάτων και εξαρτηµάτων της αντλίας. 147
ιάφραγµα Έξοδος Είσοδος εύτερη βαθµίδα Πρώτη βαθµίδα Σχήµα 9.4 Στην έξοδο της αντλίας τοποθετείται ένα φίλτρο που συγκρατεί τα σταγονίδια του λαδιού καθώς αυτά παρασύρονται προς την έξοδο υπό µορφή «καπνού». Στην έρευνα και στις εφαρµογές υψηλής τεχνολογίας προτιµούνται οι αντλίες στις οποίες ο λειτουργικός κύκλος επαναλαµβάνεται σε µία ακόµα βαθµίδα που χρησιµοποιεί τον ίδιο άξονα, οπότε η αντλία γίνεται δύο βαθµίδων Σχ. 9.4. Παράµετροι της µηχανικής αντλίας κενού. Οι σπουδαιότερες παράµετροι της µηχανικής αντλίας κενού είναι η ταχύτητα άντλησης και η ελάχιστη πίεση που µπορεί αυτή να παραγάγει. Η τελευταία δίνεται υπό την ευνοϊκότερη για την αντλία συνθήκη, όταν αυτή αντλεί τον εαυτό της, δηλαδή απουσιάζουν οι διαρροές και πηγές αερίων που συνήθως υπάρχουν στους θαλάµους κενού. Η τιµή της ελάχιστης πίεσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, αλλά οι σπουδαιότεροι από αυτούς είναι η αριθµός των βαθµίδων που έχει η αντλία και η κατάσταση του λαδιού. Στις µηχανικές αντλίες, η πίεση ατµών του λαδιού είναι της 4 τάξης 10 10 5 Torr. Η µερική πίεση των αερίων που είναι διαλυµένα στο λάδι είναι 3 µεταξύ 2 και 5 10 Torr, ενώ η ολική πίεση που δηµιουργείται στην είσοδο της 148
αντλίας µίας βαθµίδας είναι τις τάξης των 2 5 10 2 Torr. Όπως βλέπουµε, η µεγάλη τιµή της ελάχιστης πίεσης που παράγει η αντλία δεν µπορεί να αποδοθεί στα διαλυµένα στο λάδι αέρια ή στην πίεση των ατµών του λαδιού. Η σχετική έρευνα του φαινοµένου έδειξε ότι η υψηλή πίεση δηµιουργείται από προϊόντα διύλισης του λαδιού, τα οποία παράγονται στα σηµεία τριβής, όπου πρόσκαιρα αναπτύσσονται υψηλές θερµοκρασίες. Τα προϊόντα διύλισης του λαδιού έχουν πίεση ατµών που είναι πολύ υψηλότερη από αυτήν του καθαρού λαδιού. Υψηλή πίεση ατµών έχουν διάφοροι διαλύτες όπως και το νερό. Έτσι, το λάδι της αντλίας πρέπει να είναι καθαρό και ελεύθερο από ουσίες και υγρά που έχουν υψηλή πίεση ατµών. Λάδι στο οποίο συγκεντρώθηκε µεγάλη ποσότητα νερού πρέπει να αντικατασταθεί. Στις αντλίες δύο βαθµίδων η ελάχιστη πίεση είναι περίπου 10 φορές µικρότερη και είναι σχεδόν ίση µε τη µερική πίεση του αέρα που είναι διαλυµένος στο λάδι. Στο Σχ. 9.5 δίνεται η γραφική παράσταση της ταχύτητας άντλησης συναρτήσει της πίεσης στην είσοδο της αντλίας δύο βαθµίδων. Όπως βλέπουµε, στις µικρές πιέσεις η ταχύτητα άντλησης µειώνεται, και µηδενίζεται όταν η τιµή της πίεσης γίνεται ίση µε την ελάχιστη. S (L/s) 4 2 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 Πίεση (Torr) Σχήµα 9.5 Μηχανικές αντλίες ατµών. Οι µηχανικές αντλίες κενού αδυνατούν να αντλήσουν τους ατµούς υγρών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η συµπίεση των ατµών στον αριστερό θάλαµο της αντλίας (Σχ. 9.4, θάλαµος Β) δεν µπορεί να υπερβεί µια ορισµένη τιµή. Η τιµή αυτή είναι ίση µε την πίεση που έχει ο ατµός όταν αυτός βρίσκεται σε ισορροπία µε το υγρό του (π.χ. 50 mtorr στο νερό). Από ένα σηµείο και πέρα, η περαιτέρω µείωση του όγκου του αριστερού θαλάµου [(Β) στο Σχ. 9.4] δεν συνοδεύεται από την αντίστοιχη αύξηση της πίεσης, αλλά απλώς προκαλεί υγροποίηση µεγαλύτερων ποσοτήτων ατµού. Αυτό δεν επιτρέπει την αύξηση της πίεσης στον θάλαµο έως την ατµοσφαιρική για να γίνει δυνατή η εξαγωγή του περιεχοµένου του στην ατµόσφαιρα (Σχ. 9.6a). Έτσι, σιγά - 149
σιγά, στον αριστερό θάλαµο αρχίζει να συσσωρεύεται υγρό. Συχνά όµως οι αντλίες προορίζονται για άντληση ατµών, όπως π.χ. στους αποξηραντήρες. Λειτουργία αντλίας αερίου Λειτουργία αντλίας ατµών Μόρια αερίου Μόρια υγρού Υγρό Βαλβίδα εισόδου αερίου (Gas ballast) Συµπυκνωµένο υγρό Σχήµα 9.6. Η άντληση ατµών στα πρώτα της βήµατα γινόταν µε µεγάλη δυσκολία, έως ότου οι µηχανικοί σκέφτηκαν να εισαγάγουν µια µικρή ποσότητα ατµοσφαιρικού αέρα στον αριστερό θάλαµο της αντλίας, στη φάση κατά την οποία ο όγκος της είναι µέγιστος (Σχ. 9.6b). Έτσι, τώρα, το µίγµα ατµού - αερίου µπορεί να συµπιεστεί και να εξαχθεί από τον θάλαµο, αν και υπό τις συνθήκες αυτές η ελάχιστη πίεση που µπορεί να παραγάγει η αντλία είναι κάπως υψηλότερη. Συνοψίζοντας, µπορούµε να πούµε ότι ο εισαγόµενος αέρας «ξεπλένει» το περιεχόµενο τον αριστερού θαλάµου από τους ατµούς του υγρού. 150
Η µηχανικές αντλίες κενού συνήθως προορίζονται για την άντληση ατµοσφαιρικού αέρα. Η αντλίες που αντλούν ατµούς αποτελούν ξεχωριστή κατηγορία. Αλλά υπάρχει προτίµηση στις υβριδικές αντλίες, οι οποίες µπορούν να αντλούν και τους ατµούς και τον αέρα. Στις αντλίες αυτές η εισαγωγή του ατµοσφαιρικού αέρα γίνεται διαµέσου µίας ειδικής βαλβίδας (Gas ballast), η οποία ενεργοποιείται από τον χρήστη όταν ο αντλούµενος χώρος είναι πλούσιος σε υδρατµούς ή σε ατµούς κάποιου διαλύτη. Όµοια κατάσταση δηµιουργείται όταν ο αντλούµενος χώρος περιέχει σταγόνες κάποιου υγρού. Τότε, στα πρώτα στάδια της άντλησης ουσιαστικά αντλούνται µόνο οι ατµοί του υγρού ώσπου η σταγόνες να εξαερωθούν πλήρως. Μετά από αυτό, η βαλβίδα Gas ballast µπορεί να κλείσει. Από το σηµείο αυτό η αντλία αντλεί µόνο αέρια και έτσι µπορεί να δηµιουργήσει την ελάχιστη πίεση που δηµιουργούν οι αντλίες αυτής της κατηγορίας. 9.4.1.2 Ψυχόµενες αντλίες ρόφησης. Η αρχή λειτουργίας της αντλίας ρόφησης στηρίζεται στη γνωστή ικανότητα µερικών υλικών να απορροφούν µεγάλες ποσότητες αερίων και ατµών όταν αυτά ψύχονται. Η δέσµευση των µορίων στους πόρους του υλικού δεν είναι χηµική, το αέριο αρχίζει να απελευθερώνεται και πάλι όταν η θερµοκρασία του υλικού αρχίζει να ανεβαίνει. Η αντλία αποτελείται από ένα µεταλλικό δοχείο (Σχ. 9.7) το οποίο περιέχει την πορώδη ουσία υπό µορφή λεπτών σωληναρίων µε διάµετρο περίπου 1 mm και µήκος 3 5 mm. Τα τοιχώµατα του δοχείου µε κάποιον τρόπο ψύχονται έως τη θερµοκρασία του υγρού αζώτου, προκαλώντας µε τον τρόπο αυτό τη ψύξη του υλικού. Οι αντλίες αυτές 2 συνήθως χρησιµοποιούνται για την παραγωγή χαµηλού κενού ( 10 10 4 Torr), απαλλαγµένου από την παρουσία υδατανθράκων. Αυτό άλλωστε είναι το µεγάλο πλεονέκτηµα της αντλίας αυτής. Επιπλέον, η αντλία λειτουργεί αθόρυβα και δίχως κραδασµούς. Ως πορώδες υλικό συνήθως χρησιµοποιείται alumosilicate ενός αλκαλικού µετάλλου το οποίο περιέχει µικρή ποσότητα κρυσταλλωµένου νερού. Οι πόροι δηµιουργούνται στο υλικό µετά την πύρωσή του σε µία ορισµένη θερµοκρασία. Στη θερµοκρασία αυτή η κρυσταλλική δοµή του υλικού παραµένει αµετάβλητη ενώ το κρυσταλλωµένο νερό αφαιρείται πλήρως. Έτσι δηµιουργούνται στο υλικό πόροι της τάξης των 0,5 nm µε µεγάλη οµοιοµορφία στη διάµετρό τους. Σηµειώνουµε ότι οι διαστάσεις των µορίων του ατµοσφαιρικού αέρα, δηλαδή του οξυγόνου, του αζώτου και του διοξειδίου του άνθρακα, είναι της τάξης 0,3 nm. Ο µεγάλος αριθµός των πόρων δηµιουργεί µεγάλη επιφάνεια ρόφησης. Έτσι, σε υλικό µε πόρους 0,5 nm, η συνολική επιφάνεια ρόφησης είναι της τάξης 600 m 2 /g, ενώ ο ειδικός όγκος του υλικού είναι µόλις 0,75 cm 3 /g. Στα µειονεκτήµατα της αντλίας ρόφησης πρέπει να αναφέρουµε την αναποτελεσµατική ρόφηση του αργού, η συγκέντρωση του οποίου στον αέρα είναι 1 %. Το ίδιο παρατηρείται και µε τα αέρια που έχουν πολύ χαµηλή θερµοκρασία βρασµού, όπως το ήλιο, το υδρογόνο κ.λπ. Για παράδειγµα, το αργό απορροφάται 20 και το υδρογόνο 70 φορές λιγότερο από το άζωτο. Η ικανότητα ρόφησης της αντλίας µειώνεται σηµαντικά όταν στους πόρους του υλικού συσσωρεύεται νερό. H αποκατάσταση της αντλίας γίνεται µέσω θέρµανσής της στους 200-300 0 C. Πάντως, η αντλία είναι αρκετά παραγωγική. Σε 30 λεπτά, απορροφά 50 L αέρα που ήταν υπό ατµοσφαιρική πίεση και µειώνει την πίεση στα επίπεδα των 3 5 mtorr. Η πίεση αυτή είναι αρκετά χαµηλή για να κάνει δυνατή τη λειτουργία µιας αντλίας υψηλού κενού. 151
Είσοδος αερίων Βαλβίδα εξόδου Υλικό απορρόφησης Υγρό άζωτο Σχήµα 9.7. Ψυχόµενη αντλία ρόφησης. 152
9.4.2 Αντλίες υψηλού κενού 9.4.2.1 Αντλίες διάχυσης ή µοριακές αντλίες κενού Οι αντλίες αυτού του τύπου έχουν τη µεγαλύτερη διάδοση τόσο στην υψηλή τεχνολογία όσο και στην επιστηµονική έρευνα, λειτουργούν αθόρυβα και έχουν υψηλή ταχύτητα άντλησης. Η είσοδος της αντλίας συνδέεται µε τον αντλούµενο χώρο ενώ στην έξοδό της η πίεση πρέπει να είναι της τάξης 10 mtorr και δεν πρέπει να ξεπερνά τα 100 mtorr. Έτσι, οι αντλίες αυτές πάντοτε λειτουργούν σε συνδυασµό µε µία µηχανική αντλία χαµηλού κενού. Η αρχή λειτουργίας της αντλίας διάχυσης Πριν εξετάσουµε την αρχή λειτουργίας της αντλίας διάχυσης, είναι σκόπιµο να σταθούµε στην αντλία υδρορροής, η οποία λόγω της Νερό απλής της κατασκευής και του µικρού της κόστους χρησιµοποιείται ευρύτατα εκεί όπου οι απαιτήσεις για το κενό δεν είναι µεγάλες. Το µόνο που χρειάζεται για τη λειτουργία της είναι µία βρύση νερού (Σχ. 9.8). Σχήµα 9.8. ύο είδη αντλίας υδρορροής. Στις αντλίες αυτού του τύπου, η άντληση γίνεται από µια υδάτινη κυλινδρική επιφάνεια η οποία κινείται µε µεγάλη ταχύτητα προς το στόµιο εξόδου της αντλίας. Όσο µεγαλύτερη είναι ταχύτητα και το εµβαδόν της υδάτινης στήλης, τόσο µεγαλύτερη είναι η ταχύτητα άντλησης. Για την κατανόηση της λειτουργίας της, πρέπει να φανταστούµε τον αέρα σαν συνεχές µέσο που χαρακτηρίζεται από ιξώδες, όπως π.χ. το µέλι. Αν βυθίσουµε στο µέλι µία λεπτή πλάκα και τη σύρουµε, τότε εύκολα παρατηρεί κανείς ότι οι πλευρικές επιφάνειες της πλάκας παρασύρουν µαζί τους και το µέλι, και µάλιστα σε αρκετή απόσταση από αυτές. Κάτι παρόµοιο συµβαίνει και εδώ, µόνο που τον ρόλο της κινούµενης πλάκας τον παίζει η υδάτινη στήλη, ενώ του µελιού ο αέρας. Λόγοι που σχετίζονται µε την οικονοµία του νερού περιορίζουν την εγκάρσια διατοµή της υδάτινης στήλης και έτσι η ταχύτητα άντλησης είναι περίπου 1 L/s. Στη βαριά βιοµηχανία όπου αφθονεί ο τεχνητός ατµός, παρόµοια συστήµατα χρησιµοποιούνται στα ψυκτικά συστήµατα µεγάλης ισχύος. Στα συστήµατα αυτά, αντί της υδάτινης στήλης, χρησιµοποιείται ατµός υψηλής πίεσης ο οποίος εξέρχεται από ένα 153
στένωµα µε πολύ µεγάλη ταχύτητα. Στον µηχανισµό άντλησης που εξετάσαµε στην αντλία υδρορροής προστίθενται εδώ και µυριάδες µικροστρόβιλοι ατµού, που παγιδεύουν και παρασύρουν το αντλούµενο αέριο προς την έξοδο. Το σύστηµα αυτό αντλεί τους υδρατµούς από µία δεξαµενή µε νερό, το οποίο αρχίζει να βράζει όταν η πίεση στη δεξαµενή µειωθεί αρκετά. Λόγω της µεγάλης λανθάνουσας θερµότητας των υδρατµών, το νερό στη δεξαµενή ψύχεται. Η αρχή λειτουργίας των αντλιών διάχυσης είναι όµοια, µόνο που σε αυτές, αντί του ατµού υψηλής πίεσης χρησιµοποιείται ατµός λαδιού. Στους µηχανισµούς άντλησης που ήδη εξετάσαµε, εδώ προστίθεται και ο µηχανισµός διάχυσης. Ο µηχανισµός αυτός παίζει κυρίαρχο ρόλο λόγω του ότι η αντλία λειτουργεί σε χαµηλή πίεση όπου η µέση ελεύθερη διαδροµή των ατόµων είναι µεγάλη, και έτσι διευκολύνεται η διείσδυση των ατόµων του αερίου στους ατµούς του λαδιού. Στην έξοδο των αντλιών αυτών η πίεση δεν πρέπει να ξεπερνά το 1 Torr και για τον λόγο αυτό λειτουργούν πάντοτε σε συνδυασµό µε µία αντλία χαµηλού κενού, συνήθως µηχανική. Ας δούµε τώρα πώς λειτουργούν οι αντλίες αυτού του τύπου. Η αντλία αποτελείται από δύο κατάλληλα συναρµολογηµένους οµόκεντρους κυλίνδρους, τον εσωτερικό και τον εξωτερικό (Σχ. 9.9). Ο εσωτερικός κύλινδρος έχει περίπλοκο σχήµα και κατευθύνει τη ροή του ατµού προς τα κάτω και λοξά, προς τα τοιχώµατα του εξωτερικού κυλίνδρου ο οποίος συνεχώς ψύχεται. 10-8 Torr 1-η βαθµίδα Ψύξη 2-η βαθµίδα 10-2 Torr 3-η βαθµίδα Υγρό λάδι Θερµαντήρας Σχήµα 9.9. Αντλία διάχυσης. 154
Έξοδος Ψύξη 30 cm Ταχύτητα άντλησης 410 L/s Σχήµα 9.10. Αντλία διάχυσης. Στον πυθµένα του εσωτερικού κυλίνδρου υπάρχει ποσότητα λαδιού το οποίο θερµαίνεται εξωτερικά. Οι ατµοί του λαδιού, κινούνται προς το πάνω µέρος του εσωτερικού κυλίνδρου και εν συνεχεία κατευθύνονται προς το εσωτερικό τοίχωµα του εξωτερικού κυλίνδρου όπου και υγροποιούνται. Οι σταγόνες του λαδιού, ολισθαίνοντας προς τα κάτω, επιστρέφουν στο δοχείο λαδιού και έτσι ο κύκλος επαναλαµβάνεται. Ο λόγος των πιέσεων που παράγει µία τέτοια µονάδα είναι περίπου 100. Μεγαλύτερο λόγο παράγουν αντλίες που περιέχουν τρεις τέτοιες µονάδες συνδεδεµένες σε σειρά, και µε τρόπο ώστε η αντλία να αποτελεί ενιαία κατασκευή. Στις αντλίες τριών βαθµίδων ο λόγος των πιέσεων φθάνει σε τιµές 10 6 έως 10 7. Σε όλες τις αντλίες αυτού του τύπου πρέπει να λαµβάνονται ειδικά µέτρα που να αποτρέπουν την είσοδο των ατµών στον θάλαµο κενού. Συνήθως αυτό επιτυγχάνεται µε µία παγίδα ατµών η οποία ψύχεται µε υγρό άζωτο. Η παγίδα αυτή τοποθετείται ανάµεσα στην αντλία και στον αντλούµενο χώρο. Η χρήση παγίδας υγρού αζώτου στις αντλίες διάχυσης δεν είναι επιβεβληµένη, αλλά συνιστάται σε κάθε περίπτωση διότι η παγίδα αυτή λειτουργεί και ως βοηθητική αντλία κενού. Η ψυχρή επιφάνεια της παγίδας δεσµεύει πολύ αποτελεσµατικά τους υδρατµούς, το χλώριο, το οξείδιο του θείου, το διοξείδιο του άνθρακα και όλους τους άλλους ατµούς και αέρια που υγροποιούνται ή στερεοποιούνται στη θερµοκρασία του υγρού αζώτου. Η ταχύτητα 155
άντλησης των αντλιών διάχυσης δεν είναι σταθερή και εζαρτάται από την πίεση (Σχ. 9.11) Σήµερα, η βιοµηχανία παράγει πολλούς τύπους αντλιών αυτής της κατηγορίας, οι ταχύτητες των οποίων κυµαίνονται από 50 έως 10000 L/s. Οι εταιρείες, για λόγους διαφήµισης, συνήθως αναγράφουν και δηλώνουν τη µέγιστη τιµή της ταχύτητας άντλησης που δίνεται στο Σχ. 9.11. Οι αντλίες αυτές έχουν µικρό κόστος [το µικρότερο ανά µονάδα ταχύτητας άντλησης (Σχ.9.10)] και η ελάχιστη πίεση που παράγουν είναι της τάξης 10 8 Torr. Οι αντλίες αυτές χρησιµοποιούνται εκεί όπου η παρουσία ίχνους ατµών λαδιού στον αντλούµενο χώρο δεν αποτελεί σοβαρό εµπόδιο για την έρευνα ή τη συγκεκριµένη εργασία. S (L/s) 1000 800 600 400 200 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 0 Πίεση (Torr) Σχήµα 9.11. 9.4.2.2 Αντλίες τιτανίου Οι αντλίες αυτές ανήκουν στην κατηγορία των αντλιών υψηλού κενού και η εκκίνησή τους γίνεται µόνο όταν η πίεση στο σύστηµα είναι µικρότερη από 0,001 Torr. Για τον λόγο αυτό, οι αντλίες αυτές πάντα συνοδεύονται από µία αντλία χαµηλού κενού. Η άντληση στηρίζεται στην ιδιότητα του τιτανίου να αντιδρά χηµικώς σχεδόν µε όλα τα αέρια και να δηµιουργεί µε αυτά στερεές ενώσεις. Η κατασκευή της αντλίας είναι πάρα πολύ απλή και ουσιαστικά αυτή αποτελείται από έναν µεταλλικό (ή, τώρα πια σπάνια, γυάλινο) κύλινδρο, στον άξονα του οποίου βρίσκεται ένα θερµαινόµενο σύρµα που περιέχει τιτάνιο (Σχ. 9.12). 156
Θάλαµος κενού 10-8 Torr Ti Βαλβίδα 10-3 Torr Ι θ = 50 Α Ηλεκτρόδια θέρµανσης Σχήµα 9.12. Αντλία τιτανίου. Το σύρµα αυτό θερµαίνεται µε ηλεκτρικό ρεύµα (~50 Α) και όταν η θερµοκρασία του γίνει περίπου 1400 0 C το τιτάνιο αρχίζει να εξαχνώνεται και να επικάθεται στα εσωτερικά τοιχώµατα του κυλίνδρου όπου και γίνονται τότε χηµικές αντιδράσεις. Εδώ, δύο είναι οι µηχανισµοί άντλησης, η χηµική δέσµευση των αερίων στα εσωτερικά τοιχώµατα της αντλίας, και το «θάψιµο» εκείνων των µορίων µε τα οποία το τιτάνιο δεν αντιδρά. Τέτοια είναι τα αδρανή αέρια. Το θάψιµο των µορίων επιτυγχάνεται λόγω του πεπερασµένου χρόνου παραµονής τους στην επιφάνεια όταν αυτά συγκρούονται µε αυτήν. Για να γίνεται το θάψιµο αποτελεσµατικά, ο ρυθµός εναπόθεσης του τιτανίου θα πρέπει να ξεπερνά µία κρίσιµη τιµή. Η ταχύτητα άντλησης των αντλιών αυτών κυµαίνεται από 100 έως 10000 L/s, και εξαρτάται από την επιφάνεια στην οποία γίνεται η εναπόθεση του τιτανίου, καθώς επίσης και από τον ρυθµό εξάχνωσής του. Οι αντλίες αυτού του τύπου χρησιµοποιούνται κυρίως στην επιστηµονική έρευνα γιατί το κενό που παράγουν είναι καθαρό, δηλαδή απαλλαγµένο από την ανεπιθύµητη παρουσία µορίων υδατανθράκων. 9.4.2.3 Ιοντικές αντλίες Στα πρώτα χρόνια χρήσης των ηλεκτρονικών διατάξεων ηλεκτρικής εκκένωσης, όπως π.χ. στους λαµπτήρες φθορισµού, παρατηρήθηκε ότι στις διατάξεις αυτές είναι πολύ δύσκολο να διατηρηθεί η πίεση σταθερή. Η ηλεκτρική εκκένωση προκαλούσε συνεχή µείωση της πίεσης. ιαπιστώθηκε ότι για τη µείωση της πίεσης ευθύνονται τα θετικά ιόντα του πλάσµατος, τα οποία βοµβαρδίζουν την κάθοδο της συσκευής µε σχετικά µεγάλες ενέργειες, διεισδύουν βαθιά σε αυτήν και εκεί παγιδεύονται. Το φαινόµενο αυτό αµέσως αξιοποιήθηκε στις ιοντικές αντλίες κενού. Έπρεπε όµως πρώτα να βρεθεί τρόπος να διατηρείται η ηλεκτρική εκκένωση και στις χαµηλές πιέσεις. H κοινή 157
εκκένωση µεταξύ δύο ηλεκτροδίων σβήνει όταν η πίεση γίνεται µικρότερη από 0,1 Torr. Aν όµως η συσκευή τοποθετηθεί µέσα σε ισχυρό µαγνητικό πεδίο και προσανατολιστεί κατάλληλα, τότε η ελάχιστη πίεση στην οποία ακόµα διατηρείται η εκκένωση µπορεί να µειωθεί δεκάδες ή και εκατοντάδες χιλιάδες φορές. Η κυψελίδα Penning Η κυψελίδα αυτή αποτελείται από δύο µεταλλικά δισκία και έναν κύλινδρο που βρίσκεται ανάµεσά τους (Σχ. 9.13). Οι διαστάσεις της κυψελίδας είναι περίπου 3 cm και η διάµετρος του κυλίνδρου είναι περίπου ίση µε το ύψος του. Οι δίσκοι συνδέονται µε τον αρνητικό πόλο µιας πηγής υψηλής τάσης και έτσι συγκροτούν τη λεγόµενη κάθοδο της συσκευής. Ο κύλινδρος συνδέεται µε τον θετικό πόλο της πηγής, και, όπως + Β Σχήµα 9.13. έχει καθιερωθεί, το ηλεκτρόδιο αυτό ονοµάζεται άνοδος της συσκευής. Ο κύλινδρος απέχει από τους δίσκους περίπου 3 mm. Η διάταξη αυτή τοποθετείται εντός σταθερού µαγνητικού πεδίου που το δηµιουργεί ένας µόνιµος µαγνήτης. Η έντασή του είναι της τάξης του 0,2 0,3 T, και η κατεύθυνσή του συµπίπτει µε τον άξονα συµµετρίας του κυλίνδρου. Αν στα ηλεκτρόδια της κυψελίδας εφαρµοστεί τάση 5 6 kv, εντός του κυλίνδρου θα αρχίσει σχεδόν αµέσως η ηλεκτρική εκκένωση, ακόµα και όταν η πίεση είναι της τάξης 10 12 Torr. Η εκκένωση διατηρείται και σε τόσο χαµηλές πιέσεις λόγω της µεγάλης διαδροµής που κάνουν τα ηλεκτρόνια του πλάσµατος πριν αυτά καταλήξουν στην άνοδο. Η τροχιά τους θυµίζει σπείρα µε πολύ µικρό βήµα. Έτσι αυξάνεται η πιθανότητα ιονισµού των µορίων ακόµα και όταν η συγκέντρωσή τους είναι πολύ µικρή. Σε χαµηλές πιέσεις, η διαδροµή των ηλεκτρονίων φτάνει τις εκατοντάδες ή ακόµα και χιλιάδες µέτρα, παρά το ότι η απόσταση µεταξύ των ηλεκτρονίων είναι µόνο µερικά εκατοστά. Τα θετικά ιόντα του πλάσµατος, λόγω της µεγάλης τους µάζας, επηρεάζονται λιγότερο από το µαγνητικό πεδίο. Συνεπώς, η διαδροµή τους προς την κάθοδο είναι σχεδόν ευθύγραµµη και ο χρόνος παραµονής τους στο πλάσµα πολύ πιο µικρός. Έτσι ο ρόλος των ιόντων στη διατήρηση της ηλεκτρικής εκκένωσης είναι περιορισµένος. Ο µεγάλος χρόνος παραµονής των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό της κυψελίδας εξηγεί και το αρνητικό πρόσηµο του φορτίου που έχει το πλάσµα. Η ικανότητα άντλησης της κυψελίδας Penning αυξάνεται κατά δεκάδες και εκατοντάδες φορές όταν οι δίσκοι της είναι από τιτάνιο. Μία ιοντική αντλία αποτελείται από έναν µαγνήτη, δύο φύλλα από τιτάνιο και δεκάδες κυλίνδρους µηχανικά και ηλεκτρικά συνδεδεµένους µεταξύ τους (Σχ. 9.14). Τα φύλλα τιτανίου συγκροτούν την 158
Πλάκες τιτανίου Μετρητής πίεσης Μαγνήτης Κυψελίδες 300 L/s 6 kv 30 cm Μαγνήτες Σχήµα 9.14. 159
την κάθοδο και, µέσω του µετρητή του ιοντικού ρεύµατος, συνδέονται µε τον αρνητικό πόλο της πηγής υψηλής τάσης. Οι κύλινδροι συγκροτούν την άνοδο της αντλίας και συνδέονται µε τον θετικό πόλο της πηγής. Ο µαγνήτης κατά κανόνα βρίσκεται εκτός της αντλίας και την περιβάλλει. Στο Σχ. 9.15 δίνεται η ταχύτητα άντλησης της ιοντικής αντλίας συναρτήσει της πίεσης, ενώ στο Σχ. 9.16 φαίνεται πόσο σπουδαίος είναι ο ρόλος της θέρµανσης του όλου συστήµατος για τη γρήγορη επίτευξη της ελάχιστης πίεσης στο σύστηµα. Οι ιοντικές αντλίες, ανάλογα µε τον αριθµό των κυψελίδων, έχουν ταχύτητες άντλησης που κυµαίνονται από 20 έως 1500 L/s, λειτουργούν αθόρυβα και παράγουν καθαρό κενό. Στα πλεονεκτήµατά τους πρέπει να προσθέσουµε και το γεγονός ότι η αντλία ταυτόχρονα είναι και µετρητής κενού, αφού το ιοντικό ρεύµα της αντλίας είναι ανάλογο της πίεσης. Τα µειονεκτήµατα της ιοντικής αντλίας είναι το µαγνητικό πεδίο διάχυσης που παράγει ο µαγνήτης, το µεγάλο βάρος του µαγνήτη, ο µεγάλος όγκος της (30 L για µια αντλία που έχει ταχύτητα 300 L/s) και, για τις διαστάσεις της, η σχετικά µικρή ταχύτητα άντλησης. Ταχύτητα άντλησης (%) Πίεση (Torr) Σχήµα 9.15. 160
Έναρξη θέρµανσης Τέλος θέρµανσης Πίεση (Torr) Μη θερµαινόµενο Σύστηµα κενού Χρονική εξέλιξη της πίεσης σε θερµαινόµενο Σύστηµα κενού Ώρες (λογαριθµική κλίµακα) Σχήµα 9.16. 161
Γ. Η µέτρηση του κενού Μετρητές κενού. Μανόµετρα Η ελάχιστη πίεση που παράγουν τα σύγχρονα µέσα άντλησης είναι της τάξης 10 12 Torr. Επειδή κανένας µετρητής κενού δε µπορεί να καλύψει την κλίµακα που εκτείνεται από 760 έως 10 12 Torr, σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν διάφοροι τύποι µετρητών που καλύπτουν τµήµατα της κλίµακας αυτής. Από τη µεγάλη ποικιλία µετρητών που χρησιµοποιούνται στην τεχνολογία κενού εδώ θα εξετάσουµε µόνο τους τέσσερις οι οποίοι χρησιµοποιούνται ευρύτατα, το κοινό και γνωστό σε όλους βαρόµετρο, τον θερµοηλεκτρικό µετρητή χαµηλού κενού, τον ιοντικό µετρητή υψηλού κενού και τον µετρητή µαγνητοηλεκτρικής εκκένωσης υψηλού κενού. 9.5 Μετρητές χαµηλού κενού 9.5.1 Το µανόµετρο McLeod Το βαρόµετρο ήταν το πρώτο όργανο που χρησιµοποιήθηκε για τη µέτρηση του κενού. Το όργανο αυτό καλύπτει την κλίµακα από 1 έως 760 Torr και ανήκει στην κατηγορία των µετρητών υψηλής πίεσης. Η διακριτική ικανότητα, ή η ευαισθησία του, είναι 0,5 Torr και ασφαλώς δεν επαρκεί για να µετρηθεί µια πίεση όπως π.χ. 0,017 Torr. Για τις περιπτώσεις αυτές, σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε το µανόµετρο McLeod (Σχ. 9.17), στο οποίο η µέτρηση του κενού γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, µια ποσότητα του αερίου, του οποίου η πίεση θα µετρηθεί, αποµονώνεται, και µέσω µείωσης του όγκου του, συµπιέζεται 1000 φορές. Στο δεύτερο στάδιο γίνεται µέτρηση της πίεσης του συµπιεσµένου τώρα αέρα µε ένα κοινό βαρόµετρο. Ο µετρητής είναι σχεδιασµένος κατά τέτοιο τρόπο ώστε η όλη διαδικασία να γίνεται αυτόµατα, σε µία κίνηση του δοχείου που περιέχει τον υδράργυρο. Η διακριτική ικανότητα του µανόµετρου είναι 0,5 mtorr, δηλαδή 1000 φορές µεγαλύτερη από αυτήν ενός κοινού βαροµέτρου, ενώ σε µερικές παραλλαγές του οργάνου αυτού η διακριτική ικανότητα είναι 0,1 mtorr. Όπως είναι γνωστό, στο βαρόµετρο χρησιµοποιείται µεγάλη ποσότητα υδραργύρου. Η τοξικότητα του υλικού αυτού και οι µεγάλες διαστάσεις του µετρητή, είναι οι κύριοι λόγοι για τους οποίους ο µετρητής αυτός αντικαταστάθηκε από άλλους. Τα όργανα αυτά χρησιµοποιούνται ακόµα εκεί όπου η αξιοπιστία της µέτρησης είναι ζωτικής σηµασίας, όπως π.χ. στα αεροδρόµια, στην ιατρική κ.λπ. Τα βαρόµετρα υδραργύρου, όλων των κατηγοριών, θεωρούνται αναντικατάστατα στις βιοµηχανίες παραγωγής µετρητών κενού όπου τα όργανα αυτά, λόγω της µεγάλης τους αξιοπιστίας, χρησιµοποιούνται για τη βαθµονόµηση όλων των άλλων τύπων µετρητών. 162
Πίεση θαλάµου (P) Στάθµη αναφοράς Μετακινούµενο δοχείο Hg Όγκος (V) Εύκαµπτος σωλήνας Σχήµα 9.17. 9.5.2 Το θερµοηλεκτρικό µανόµετρο 9.5.2.1 Το µανόµετρο Pirani Όταν το 1906 προέκυψε η ανάγκη µέτρησης της πίεσης στις λυχνίες πυρακτώσεως, ο Pirani πρώτος χρησιµοποίησε για τον σκοπό αυτό τη συµβολή της θερµικής αγωγιµότητας των αερίων στις θερµικές απώλειες ενός θερµού σύρµατος. Η αρχή λειτουργίας των µετρητών αυτής της κατηγορίας στηρίζεται στην εξάρτηση από την πίεση των θερµικών απωλειών ενός λεπτού θερµού νήµατος. Το νήµα αυτό, συνήθως είναι από λευκόχρυσο, έχει διάµετρο 10 20 µm, µήκος 5 10 cm και τεντώνεται στον άξονα ενός σωλήνα, η διάµετρος του οποίου είναι 3 5 cm (Σχ. 9.18). 163
Το άκρα του νήµατος στηρίζονται σε δύο µεταλλικά ηλεκτρόδια, η διάµετρος των οποίων είναι της τάξης του 1 mm, και για τον λόγο αυτό είναι πάντα ψυχρά. Όταν το όργανο βρίσκεται σε λειτουργία, το νήµα θερµαίνεται µε σταθερό ρεύµα και έτσι διαµορφώνεται κατά µήκος του µία χαρακτηριστική κατανοµή θερµοκρασίας µε ελάχιστη τιµή στα δύο της άκρα και µέγιστη, στο κέντρο. Λευκόχρυσος Αισθητήρας αναφοράς Αισθητήρας κενού Σχήµα 9.18. Μανόµετρο Pirani. Τρεις είναι οι µηχανισµοί θερµικών απωλειών του νήµατος, η θερµική αγωγιµότητα προς τα ψυχρά άκρα των στηριγµάτων, η ακτινοβολία µέλανος σώµατος, και η θερµική αγωγιµότητα του αερίου που περιβάλλει το νήµα. Μόνο ο τελευταίος µηχανισµός προκαλεί µεταβολή της θερµοκρασίας του νήµατος συναρτήσει της πίεσης. Η επίδραση των δύο άλλων µηχανισµών µειώνεται όσο είναι δυνατό. Ο πρώτος µέσω της µείωσης του λόγου της διαµέτρου προς το µήκος του νήµατος, και ο δεύτερος µέσω της µείωσης της θερµοκρασίας του νήµατος. Έτσι, στα θερµοηλεκτρικά µανόµετρα το νήµα γίνεται όσο το δυνατό λεπτότερο, ενώ η θερµοκρασία του νήµατος δεν ξεπερνά τους 300 0 C. Οι θερµικές απώλειες µειώνονται στο ελάχιστο όταν η πίεση στο σύστηµα πρακτικά είναι µηδέν. Η πίεση µπορεί να θεωρηθεί ότι είναι µηδέν όταν η τιµή της είναι τουλάχιστον 10 φορές µικρότερη από τη διακριτική ικανότητα του µετρητή. Στη µηδενική πίεση η µέση θερµοκρασία του νήµατος είναι µέγιστη. Καθώς η πίεση αυξάνεται, η θερµοκρασία του νήµατος µειώνεται. Έτσι, σε έναν βαθµονοµηµένο µετρητή η πίεση µετράται µέσω των µεταβολών της θερµοκρασίας του νήµατος. Η µεταβολή της θερµοκρασίας του νήµατος συνήθως µετριέται µέσω της µέτρησης της µεταβολής της αντίστασής του. Αυτό γίνεται συνήθως µε τη βοήθεια µιας γέφυρας Wheatstone (Σχ. 9.18), και τότε το όργανο αυτό ονοµάζεται µανόµετρο Pirani. Μεγαλύτερη αξιοπιστία των µετρήσεων επιτυγχάνεται όταν οι µετρήσεις γίνονται υπό συνθήκες σταθερής θερµοκρασίας του νήµατος. Στη µέθοδο αυτή, το σήµα εξόδου του µετρητή είναι η πρόσθετη τάση τροφοδοσίας του νήµατος. Η πρόσθετη αυτή τάση, αντισταθµίζει τις θερµικές απώλειες του νήµατος που προκλήθηκαν από την άνοδο της 164
πίεσης. Η διαδικασία µέτρησης είναι ακόλουθη. Στο σύστηµα δηµιουργείται πρακτικά µηδενική πίεση και στη γέφυρα εφαρµόζεται µία αρχική τάση V 0 η οποία υποδεικνύεται από τον κατασκευαστή. Το νήµα θερµαίνεται µε το ρεύµα που ρέει σε έναν από τους δύο κλάδους της γέφυρας και µε κατάλληλη ρύθµιση των βοηθητικών αντιστάσεων η γέφυρα ισορροπείται. Η διαδικασία αυτή ισοδυναµεί µε τη ρύθµιση του µηδενός του µετρητή. Όταν η πίεση γίνεται p, η ισορροπία της γέφυρας διαταράσσεται λόγω µείωσης της θερµοκρασίας του νήµατος. Για να επανέλθει η θερµοκρασία στα ίδια επίπεδα, η τάση τροφοδοσίας της γέφυρας αυξάνεται και από V 0 γίνεται V p. Στη µέθοδο αυτή, η διαφορά δv = V p V 0 αντιπροσωπεύει το µέτρο µεταβολής της πίεσης p και αξιοποιείται για τη µέτρησή της. Η σχέση µεταξύ των µεγεθών p και δv, δεν είναι γραµµική. Πράγµατι, οι θερµικές απώλειες του νήµατος, και συνεπώς και η µεταβολή της θερµοκρασίας του, είναι ανάλογη της πίεσης. Έτσι, δ T p. Από την άλλη πλευρά, για να µεταβληθεί η θερµοκρασία του νήµατος κατά δτ, και έτσι να επανέλθει στην αρχική της τιµή, θα πρέπει να της καταβληθεί ανάλογη θερµική ισχύς. Όµως, η θερµική αυτή ισχύς είναι ανάλογη προς το τετραγώνου της τάσης τροφοδοσίας του νήµατος, ή ισοδύναµα, της 2 µεταβολής της τάσης τροφοδοσίας δv. Συνεπώς, p ( V V 0 ). Έτσι η κλίµακα του οργάνου είναι της µορφής p δ V = k p, (9.8) όπου k είναι η σταθερά του οργάνου. Στην περιοχή των υψηλών πιέσεων, ο θερµοηλεκτρικός µετρητής παρουσιάζει µία πρόσθετη µη γραµµικότητα. Στις υψηλές πιέσεις, δηλαδή στις πιέσεις στις οποίες η µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων είναι πολύ µικρότερη των γεωµετρικών διαστάσεων του δοχείου, η θερµική αγωγιµότητα των αερίων είναι σχεδόν ανεξάρτητη της πίεσης. Έτσι, σε πιέσεις πλησίον της ατµοσφαιρικής, η ευαισθησία του θερµοηλεκτρικού µετρητή είναι πάρα πολύ µικρή και οι µετρήσεις έχουν µόνο ποιοτικό χαρακτήρα 9.5.2.2 Ο θερµοηλεκτρικός µετρητής θερµοζεύγους Η θερµοκρασία του νήµατος µπορεί να µετρηθεί και µε ένα θερµοζεύγος. Τα όργανα αυτά έχουν µικρότερη ευαισθησία και είναι πιο περίπλοκα στην κατασκευή τους, πλην όµως λειτουργούν σε µικρότερη θερµοκρασία (100 0 C), είναι αξιόπιστα και έχουν µεγαλύτερο εύρος του γραµµικού µέρους της κλίµακάς τους (υψηλότερο άνω όριο). Το θερµοζεύγος επικολλάται στο κέντρο του νήµατος, όπως φαίνεται στο Σχ. 9.19. Επειδή το θερµοζεύγος αποτελεί πρόσθετη οδό διαφυγής της θερµότητας, δεν έχει νόηµα το µήκος του νήµατος να γίνεται µεγάλο. Για τον ίδιο λόγο, τα νήµατα του θερµοζεύγους έχουν την ίδια διάµετρο µε αυτή του νήµατος. Στα µειονεκτήµατα των οργάνων αυτών θα πρέπει να σηµειωθούν η ολίσθηση του µηδενός τους, λόγω µεταβολής της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος, και εξ αιτίας αυτού, τα κάπως πιο περίπλοκα ηλεκτρονικά κυκλώµατα που τα υποστηρίζουν. Στο Σχ.920 δίνεται µία τυπική καµπύλη απόκρισης των µετρητών αυτών όπου διακρίνει κανείς τον έντονα µη γραµµικό χαρακτήρα της καµπύλης. 165
Λευκόχρυσος Θερµοζεύγος Ηλεκτρόδια W Σχήµα 9.19. Ένδειξη µετρητή Πίεση (Torr) Σχήµα 9.20 166
9.6 Μετρητές υψηλού κενού 9.6.1 Τα µανόµετρα ιονισµού πρώτης γενεάς Στα µανόµετρα ιονισµού, τα µόρια του αερίου ιονίζονται και εν συνεχεία µετράται το ρεύµα τους οποίο είναι ανάλογο της πίεσής. Τα όργανα αυτά ανήκουν στην κατηγορία 11 µετρητών υψηλού κενού και καλύπτουν την περιοχή 10 10 4 Torr. Σε µία ιδική κατηγορία µετρητών, το άνω όριο εκτείνεται έως 10 1 Torr. Ο µετρητής αποτελείται από τρία ηλεκτρόδια, την κάθοδο που εκπέµπει θερµιονικά τα ηλεκτρόνια, την άνοδο που τα συλλέγει και τον συλλέκτη των θετικών ιόντων (Σχ. 9.21). Στην κατασκευή αυτή, τα µόρια του αερίου ιονίζονται από τα ηλεκτρόνια που κινούνται προς την θετικά φορτισµένη άνοδο και τελικά συλλέγονται από αυτήν. Τα θετικά ιόντα µε τη σειρά τους, συλλέγονται από τον αρνητικά φορτισµένο συλλέκτη των ιόντων το ρεύµα του οποίου µετράται µε έναν ευαίσθητο µετρητή ρεύµατος. Εδώ, όλα τα δυναµικά αναφέρονται ως προς την κάθοδο, το δυναµικό της οποίας θεωρείται µηδέν. Συλλέκτης, µεταλλική επίστρωση στο εσωτερικό του γυάλινου περιβλήµατος Συλλέκτης (,-20V) Πλέγµα (+200V) Τροχιά ηλεκτρονίου Κάθοδος (0 V) + ιόν Ηλεκτρική επαφή µε τον συλλέκτη Σχήµα 9.21. Η κάθοδος βρίσκεται στο κέντρο του µετρητή και αποτελείται από λεπτό (50 µm) σύρµα βολφραµίου το µήκος του οποίου είναι περίπου 5 cm. Η θερµοκρασία της καθόδου είναι της τάξης 2300 2500 Κ και έτσι διασφαλίζεται θερµιονική εκποµπή ηλεκτρονίων 1 10 ma. Η άνοδος, ή ο συλλέκτης των ηλεκτρονίων, κατασκευάζεται από λεπτό (0,2 mm) σύρµα µολυβδαινίου και έχει τη µορφή ενός σπειρώµατος που περιβάλλει την κάθοδο. Το σπείρωµα σκόπιµα κατασκευάζεται µε µεγάλα κενά. 167
Συλλέκτης ιόντων Πλέγµα Θετικό ιόν Ηλεκτρόνια Προς θάλαµο κενού Α Κάθοδος Α Σχήµα 9.22. Τα κενά αυτά είναι 20 30 φορές µεγαλύτερα από τη διάµετρο του σύρµατος. Η κατασκευή επιτρέπει τoν καθαρισµό της ανόδου από τα αέρια µέσω ηλεκτρικής θέρµανσης του σπειρώµατος στους 800 0 C. Ανάλογα µε τον τύπο του µετρητή, στην άνοδο εφαρµόζεται θετικό δυναµικό 150 200 V. Το θερµιονικό ρεύµα ρυθµίζεται µέσω θερµοκρασίας της καθόδου ενώ το αρνητικό δυναµικό του συλλέκτη είναι περίπου 20 V. Ας δούµε τώρα πώς λειτουργεί ο µετρητής. Ένα µέρος των ηλεκτρονίων που κινούνται προς το θετικό πλέγµα, αµέσως θα καταλήξουν σε αυτό. Τα θετικά ιόντα που θα δηµιουργηθούν στο διάστηµα µεταξύ καθόδου και πλέγµατος, θα κινηθούν προς την κάθοδο η οποία θα τα συλλέξει. Αυτά τα ιόντα δεν θα τα συλλέξει ο συλλέκτης ιόντων και δε θα λάβουν µέρος στη δηµιουργία του ιοντικού ρεύµατος που ρέει στο κύκλωµα του συλλέκτη. Έτσι, τα ιόντα αυτά ουσιαστικά είναι χαµένα. Όµως, επειδή το πλέγµα περιέχει κενά, ένα µέρος των ηλεκτρονίων θα περάσει από τα κενά αυτά και θα βρεθεί στον χώρο µεταξύ της ανόδου και τον συλλέκτη ιόντων. Τα ιόντα που δηµιουργούνται στον χώρο αυτό συλλέγονται από τον συλλέκτη ιόντων και έτσι συµµετέχουν στο ρεύµα που µετράται από τον µετρητή. Τα ηλεκτρόνια που διασχίζουν το πλέγµα, κινούµενα στο επιβραδυντικό πεδίο, θα σταµατήσουν σε κάποια απόσταση από τον συλλέκτη λόγω του ότι το δυναµικό του είναι χαµηλότερο από αυτό της καθόδου. Μετά την επιβράδυνσή τους, αυτά και πάλι θα κινηθούν προς το πλέγµα. Έτσι, ένα µέρος των ηλεκτρονίων θα κάνει πολλές ταλαντώσεις γύρω από το πλέγµα πριν τελικά, καταλήξουν σε αυτό. Όσο µεγαλύτερος είναι ο αριθµός των ταλαντώσεων, τόσο µεγαλύτερος είναι ο αριθµός των ιόντων που δηµιουργεί ένα ηλεκτρόνιο και τόσο µεγαλύτερη είναι η ευαισθησία του µετρητή. Το ιοντικό ρεύµα που ρέει στο κύκλωµα του συλλέκτη είναι ανάλογο προς τον αριθµό των ηλεκτρονίων που λαµβάνουν µέρος στον ιονισµό, καθώς επίσης και προς την πίεσης του αερίου. Συνεπώς I = S I p, (9.9) i e όπου I i είναι το ιοντικό ρεύµα, I e είναι το θερµιονικό ρεύµα της ανόδου και S είναι η σταθερά αναλογίας. Η σταθερά αυτή ονοµάζεται ευαισθησία του µετρητή και εξαρτάται 168
Αριθµός ιόντων ανά 1 ηλεκτρόνιο σε διαδροµή 1 cm και πίεση 1 Torr 5 10 15 20 1 CH 4 2 O 2 3 N 2 4 Ar 5 H 2 6 Ne 7 He 0 200 400 600 Ενέργεια ηλεκτρονίων (ev) Σχήµα 9.23. από το είδος του αερίου, τη γεωµετρία του µετρητή όπως επίσης και από τις τάσεις στα ηλεκτρόδια. Στο Σχ. 9.23 δίνονται οι καµπύλες που παριστάνουν τον αριθµού ιόντων που δηµιουργεί ένα ηλεκτρόνιο µέσα στο αέριο σε διαδροµή 1 cm και πίεση 1 Torr. Όπως βλέπουµε, ο αριθµός αυτός εξαρτάται από την ενέργεια του ηλεκτρονίων. Ο ιονισµός των αερίων έχει την µέγιστη τιµή όταν η ενέργειες των ηλεκτρονίων είναι περίπου 100 ev. Το ρεύµα που µετράται στο κύκλωµα του συλλέκτη είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, εξαρτάται από τη γεωµετρία των ηλεκτροδίων και τις µεταξύ τους αποστάσεις, από το αρνητικό δυναµικό του συλλέκτη, από την τάση του πλέγµατος ή όπως αλλιώς ονοµάζεται, της ανόδου, όπως επίσης και από την τιµή του ρεύµατος των ηλεκτρονίων που κινούνται προς την άνοδο. Όλοι αυτοί οι παράµετροι επηρεάζουν την σταθερά του µετρητή S. Για τη βελτιστοποίηση της S σκόπιµο είναι να µελετηθεί η εξάρτηση του ιοντικού ρεύµατος από τους παράγοντες που προαναφέραµε. Στο Σχ. 9.24, δίνονται τυπικά γραφήµατα ενός ιοντικού µετρητή πίεσης που µετρήθηκαν στο άζωτο. Στα γραφήµατα αυτά αποτυπώνεται η εξάρτηση του ρεύµατος των θετικών ιόντων από το ρεύµα των ηλεκτρονίων (α), το θετικό δυναµικό της ανόδου (β), το αρνητικό δυναµικό του συλλέκτη (γ), και την πίεση του αερίου (δ). Στις µετρήσεις αυτές η σταθερά του µετρητή S ήταν 5 Torr 1. Στο Σχ. 9.24, στα γραφήµατα (α), (γ) και (δ) το θετικό δυναµικό του πλέγµατος ήταν 170 V, στα γραφήµατα (α), (β) και (δ) το αρνητικό δυναµικό του συλλέκτη ήταν 10 V, στα γραφήµατα (β) και (γ) το ρεύµα ηλεκτρονίων ήταν 1mA. Στα γραφήµατα (α), (β) και (δ) αναφέρονται οι τιµές τις πίεσης σε µονάδες mtorr, ενώ στο γράφηµα (δ) αναφέρονται οι τιµές του ρεύµατος των ηλεκτρονίων σε ma. Στις καµπύλες Ι το ιοντικό ρεύµα του συλλέκτη είναι σε µα, ενώ στις καµπύλες ΙΙ οι αναφερόµενες τιµές πρέπει να πολλαπλασιαστούν στο 0,1. Στον Πίνακα 9.2 δίνονται οι συγκριτικές ως προς το άζωτο τιµές της σταθεράς του µετρητή όπως αυτή µετρήθηκε σε µερικά αέρια. 169
µα µα (α) (β) Ρεύµα ηλεκτρονίων υναµικό της ανόδου (V) µα µα (γ) (δ) Αρνητικό δυναµικό του συλλέκτη Πίεση (mtorr) Σχ.9.24 Πίνακας 9.2 Αέριο Ν 2 Ο 2 Η 2 CO CO 2 H 2 O Αέρας Hg He Ar Ne S (Torr) -1 1,0 0,8 0,4 1,05 1,37 2,0 2,7 0,14 0,25 1,35 170
9.6.2 Τα µανόµετρα ιονισµού δεύτερης γενεάς. Το µανόµετρο πρώτης γενιάς στη µορφή που το εξετάσαµε, κάλυπτε το διάστηµα 10 4 7 10 Torr. Μόλις προέκυψε η ανάγκη µέτρησης κενού υψηλότερου από 10 7 Torr, το 8 µανόµετρο µονίµως έδειχνε την τιµή 10 Torr ακόµα και όταν οι ερευνητές ήταν 10 σίγουροι ότι η πίεση ήταν µικρότερη από 10 Torr. Έτσι, παρά το ότι η πίεση στο σύστηµα µειωνόταν, για κάποιο λόγο, το ιοντικό ρεύµα δεν µειωνόταν. Μελετώντας το φαινόµενο διαπιστώθηκε ότι, στις µικρές πιέσεις, η µεγάλη τιµή του ρεύµατος που ρέει στο κύκλωµα του συλλέκτη οφείλεται στα φωτοηλεκτρόνια που εκπέµπονται από τον συλλέκτη, υπό την επίδραση των µαλακών ακτίνων Χ που δηµιουργούνται στην άνοδο Συλλέκτης Άνοδος (πλέγµα) Κάθοδος Σχήµα 9.25. του µετρητή. Τα φωτοηλεκτρόνια συλλέγονται από την άνοδο και η φόρα του ρεύµατος που δηµιουργείται συµπίπτει µε αυτή του ιοντικού. Συνεπώς, το ρεύµα που ρέει στο κύκλωµα του συλλέκτη έχει δύο συνιστώσες, το ιοντικό ρεύµα, το οποίο εξαρτάται από την πίεση, και το ρεύµα των φωτοηλεκτρονίων το οποίο ουσιαστικά παραµένει σταθερό αφού αυτό εξαρτάται µόνο από την ένταση τον ακτίνων Χ η οποία παραµένει σταθερή εξαρτάται µόνο από την ενέργεια των ηλεκτρονίων µε την οποία αυτά βοµβαρδίζουν την άνοδο και το ρεύµα που αυτή συλλέγει. Έτσι I = i I. (9.10) Σ I + Στις µικρές πιέσεις, όπου το ιοντικό ρεύµα είναι πολύ µικρότερο του φωτοηλεκτρικού, ο µετρητής ρεύµατος ουσιαστικά µετρά µόνο το φωτοηλεκτρικό ρεύµα. Έτσι έγινε σαφές ότι για να γίνει δυνατή η µέτρηση του κενού στις µικρές πιέσεις, το φωτοηλεκτρικό ρεύµα πρέπει να µειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο. Αυτό µπορεί να το πετύχει κανείς αν µειώσει το εµβαδόν του συλλέκτη. Ριζική αντιµετώπιση του προβλήµατος έγινε από τους Bayard και Alpert οι οποίοι κατόρθωσαν να µειώσουν το φωτοηλεκτρικό ρεύµα πάνω από 1000 φορές. Όπως βλέπουµε, στο µανόµετρο Bayard- Φ 171
Alpert, ο συλλέκτης και η κάθοδος άλλαξαν θέσεις (Σχ. 9.25). Ο συλλέκτης κατασκευάζεται από ένα λεπτό σύρµα βολφραµίου η διάµετρος του οποίου είναι της τάξης 0,1 mm και έτσι επιτυγχάνεται δραστική µείωση του εµβαδού του κατά έναν παράγοντα που ξεπερνά τις 10000. Οι µετρητές αυτού του τύπου, στη µορφή που πρωτοπροτάθηκαν, µειονεκτούσαν µόνο σε ένα σηµείο, είχαν περίπου 10 φορές µικρότερη ευαισθησία. Γρήγορα βρέθηκε το αίτιο. Η µικρή ευαισθησία οφειλόταν στις απώλειες των ιόντων από τις δύο βάσεις της σπειροειδούς ανόδου. Όταν στις δύο αυτές βάσεις τοποθετήθηκαν δύο µεταλλική δίσκοι, ηλεκτρόδια τάπες, και εφαρµόστηκε σε αυτά το δυναµικό της ανόδου που είναι αποθετικό για τα ιόντα, η ευαισθησία του µετρητή αµέσως επανήλθε στα επίπεδα που είχε ο µετρητής πρώτης γενεάς. Έκτοτε, ο µετρητής της πρώτης γενεάς εκτοπίστηκε από τον µετρητή Bayard-Alpert. 4 Η κλίµακα κενού του µανόµετρου Bayard-Alpert εκτείνεται από 10 έως 10 12 11 Torr. Όµως, η µέτρηση κενού όπως 10 Torr εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τις δυνατότητες του ηλεκτροµέτρου µε το οποίο γίνεται η µέτρηση του ιοντικού ρεύµατος. Πράγµατι, έστω ότι ο µετρητής έχει ευαισθησία 2 Torr -1 και το θερµιονικό ρεύµα που προκαλεί τον ιονισµό των αερίων είναι 5 ma. Τότε, όταν η πίεση είναι 10 11 Torr, το ιοντικό ρεύµα που ρέει στο κύκλωµα του συλλέκτη είναι I i 2 3 11 13 = S Ie p = 5 10 A 10 Torr = 10 A. (9.11) Torr Το ρεύµα αυτό είναι πολύ µικρό και µπορεί να µετρηθεί µόνο µε ειδικά ηλεκτρόµετρα και υπό την προϋπόθεση ότι ο συλλέκτης είναι προστατευµένος από κάθε είδους παρεµβολές.. ιατήρηση του κενού στις διατάξεις 9.7 Η διατήρηση υψηλού κενού στις ηλεκτρονικές συσκευές Πολλά τµήµατα ή εξαρτήµατα σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, όπως οι οθόνες παλµογράφων, τηλεοράσεων και υπολογιστών, τα κλείστρα των ραντάρ, οι ηλεκτρονικές λυχνίες κ.λπ., για την οµαλή τους λειτουργία απαιτούν υψηλό κενό στο εσωτερικό τους. Το επίπεδο του κενού στο εσωτερικό µιας συσκευής καθορίζει σε µεγάλο βαθµό τον χρόνο ζωής της και για τον λόγο αυτό ακολουθείται ειδική διαδικασία για την παραγωγή και διατήρηση του υψηλού κενού. Έτσι, στο στάδιο της άντλησης, η συσκευή θερµαίνεται για πολλές ώρες στους 200 400 0 C. Η θέρµανση αυτή αποσκοπεί στην αποβολή των αερίων που βρίσκονται στην εσωτερική επιφάνεια και στον όγκο των τοιχωµάτων της συσκευής όπως επίσης και στα διάφορα εξαρτήµατα που βρίσκονται στο εσωτερικό της. Εκεί όπου αυτό µπορεί να γίνει, π.χ. στις οθόνες όλων των ειδών, ακολουθεί θέρµανση των εσωτερικών µεταλλικών εξαρτηµάτων στους 800 0 C. Στο στάδιο αυτό, τα µέταλλα αποβάλλουν µεγάλες ποσότητες αερίων που είχαν ενσωµατωθεί σε αυτά στο στάδιο της µεταλλουργικής τους κατεργασίας. Αλλά ακόµα και µετά την πολύωρη θέρµανση, ένα µέρος των αερίων παραµένει εγκλωβισµένο στα τοιχώµατα της συσκευής και αργά η γρήγορα εµφανίζεται στο εσωτερικό της. Ο αέρας εισέρχεται στη συσκευή και από τις µικροδιαρροές που αναπόφευκτα δηµιουργούνται στο στάδιο κατασκευή της. Αλλά ακόµα και όταν δεν υπάρχουν διαρροές, τα αέρια εισέρχονται στο εσωτερικό από τα εσωτερικά τοιχώµατα της συσκευής λόγω του ότι η θερµοκρασία των 400 0 C δεν επαρκεί για την αποβολή όλων τον αερίων που είναι 172
διαλυµένα στο εσωτερικό των τοιχωµάτων. Υψηλότερες θερµοκρασίες θέρµανσης αποφεύγονται γιατί η ατµοσφαιρική πίεση µπορεί να συνθλίψει την συσκευή. Συνέπεια αυτών των παραγόντων είναι η αργή αλλά σταθερή άνοδος της πίεσης στη συσκευή µετά την αποσύνδεσή της από την αντλία. Αν δεν ληφθούν ειδικά µέτρα, σε ένα ή το πολύ σε ενάµιση χρόνο, η άνοδος της πίεσης θα θέσει εκτός λειτουργίας τη συσκευή. Ιδιαίτερα επικίνδυνη είναι η άνοδος της πίεσης στις συσκευές που λειτουργούν µε υψηλές τάσεις τον 15 30 kv όπως π.χ. στις έγχρωµες οθόνες των τηλεοράσεων. Στις συσκευές αυτές, έστω και σύντοµη άνοδος της πίεσης οδηγεί στη δηµιουργία ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταστρέφουν τη συσκευή. Για τον λόγο αυτό, οι προδιαγραφές κενού στις συσκευές υψηλής τάσης είναι πολύ πιο αυστηρές. Το πρόβληµα διατήρησης του υψηλού κενού στις συσκευές αντιµετωπίστηκε µε λεπτά υµένια µετάλλων τα οποία εξαχνώνονται στο εσωτερικό τους, σε κάποια γωνιά, για να µη προκαλεί ανεπιθύµητα βραχυκυκλώµατα µεταξύ των ηλεκτροδίων της συσκευής. Η εξάχνωση του υµενίου γίνεται στο τελευταίο στάδιο της θερµικής κατεργασίας. Τα υµένια αυτά λειτουργούν σαν µικρές αντλίες στο εσωτερικό της συσκευής και δεσµεύουν τα αέρια όπως αυτό γίνεται στο τιτάνιο. Ο καλύτερος απορροφητής (getter) των αερίων που βρήκε ευρεία εφαρµογή είναι το βάριο. Το βάριο είναι πολύ πιο δραστικό από το τιτάνιο και επιπλέον δεν απαιτεί συνεχείς ανανεώσεις της επιφάνειάς του όπως το τιτάνιο. Οι στερεές ενώσεις που δηµιουργεί µε τα αέρια, είναι διαπερατές για αυτά και έτσι αξιοποιούνται και τα βαθύτερα στρώµατα του υµενίου. Έτσι, εάν η συσκευή είναι αεροστεγής, το βάριο µπορεί να διατηρήσει το υψηλό κενό στο εσωτερικό της για περισσότερα από 40 χρόνια. Στις γυάλινες συσκευές, όπως οι οθόνες όλων των τύπων, το υµέναιο του βαρίου διακρίνεται ως µία µαύρη επίστρωση και σκόπιµα εξαχνώνεται σε σηµείο που να είναι ορατό. Το χρώµα του βαρίου επιτρέπει τη ποιοτική εκτίµηση του κενού στη συσκευή. Αν το χρώµα του είναι µαύρο τότε το κενό στη συσκευή είναι καλό. Αν όµως ο λεγόµενος µαύρος καθρέφτης του βαρίου αρχίζει να λευκαίνει και να γίνεται διαφανής, ιδιότητες που έχει το οξείδιό του, τότε το κενό στη συσκευή είναι προβληµατικό. 9.8 Η βασική εξίσωση της τεχνικής του κενού Το πιο απλό σύστηµα κενού αποτελείται από τον αντλούµενο χώρο ή το αντικείµενο, µία αντλία κενού και έναν συνδετικό σωλήνα (Σχ. 9.26). Ο συνδετικός σωλήνας, αν δεν επιλεγεί σωστά, µπορεί να προκαλέσει δραστική µείωση της ταχύτητας άντλησης του αντικειµένου και έτσι να αχρηστέψει τις επιδόσεις της αντλίας ακόµα και αν αυτές είναι µεγάλες. Αυτή η µείωση µπορεί να υπολογιστεί. Πράγµατι, η ταχύτητα άντλησης Αντικείµενο, πίεση p 0 d l Αντλία, πίεση p a Σχήµα 9.26 173
του αντικειµένου ορίζεται όπως και αυτή της αντλίας, δηλαδή ως ο όγκος του αερίου που εξέρχεται από αυτόν, ανά µονάδα χρόνου: dv A =. (9.12) dt Όπως γνωρίζουµε, το µέγεθος pv είναι ανάλογο προς τη µάζας του αερίου που καταλαµβάνει χώρο V και η πίεσή του είναι p. Συνεπώς, το γινόµενο pa είναι ανάλογο προς τη ποσότητα αερίου που εισέρχεται στον σωλήνα ανά µονάδα χρόνου. Η ποσότητα αυτή ονοµάζεται ροή. Συνεπώς, στη µόνιµη κατάσταση, κατά µήκος του σωλήνα, το µέγεθος pa διατηρείται. Έτσι, για τα δύο άκρα του σωλήνα µπορούµε να γράψουµε: Q = A0 p0 = A a p a, (9.13) όπου Q είναι η ροή, A0 και p0 είναι η ταχύτητα άντλησης και η πίεση του αντικειµένου και Aa και pa είναι τα αντίστοιχα µεγέθη στην είσοδο της αντλίας. Τη ροή Q µπορούµε να την εκφράσουµε και µέσω της αγωγιµότητας του σωλήνα Q = U ( p0 pa ), (9.14) όπου U είναι η αγωγιµότητα του σωλήνα, µέγεθος όµοιο µε την ηλεκτρική αγωγιµότητα ενός καλωδίου. Έτσι, στην είσοδο του σωλήνα έχουµε A p = U p p 0 0 ( 0 a ) ή 1 A 0 1 p = U p 0 0 p a. (9.15) Οµοίως, στην έξοδο του σωλήνα έχουµε Aα pα = U ( p0 pa ) ή 1 A a 1 = U pa p p 0 a. (9.16) Αφαιρώντας τις (9.15) και (9.16), έχουµε 1 A 0 1 1 = ή A U a 1 A 0 1 1 = +, (9.17) A U a Έτσι, για την ταχύτητα άντλησης του αντικειµένου προκύπτει η σχέση AaU A0 =. (9.18) A + U Η τελευταία σχέση συνδέει τα βασικότερα µεγέθη µιας διάταξης κενού και για τον λόγο αυτό ονοµάζεται βασική εξίσωση της τεχνικής κενού. Όπως βλέπουµε, ακόµα και όταν η ταχύτητα άντλησης της αντλίας είναι άπειρη, η άντληση του αντικείµενου δε ξεπερνά την αγωγιµότητα του συνδετικού σωλήνα. Όταν το κενό είναι υψηλό και ισχύει η συνθήκη λ >> d, τότε η αγωγιµότητα ενός σωλήνα που έχει κυκλική διατοµή δίνεται από τη σχέση a 3 T d U = 38,2 (m 3 /s) (9.19) M l 174